Determination of Carbohydrates in Acid Hydrolysates of Wood

Význam tématu

Výroba biopaliv ze dřevní biomasy představuje udržitelnou alternativu k fosilním palivům, protože dřevo není potravinovou surovinou, lze ho pěstovat s nižšími nároky na závlahu a hnojiva a sklízet průběžně. Klíčovým krokem je účinné rozložení lignocelulosy a sledování obsahu fermentovatelných sacharidů (např. glukózy, xylozy, arabinózy, rhamnózy) v kyselých hydrolyzátech dřeva, což přímo ovlivňuje výtěžnost etanolu a ekonomiku procesu.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo vyvinout rychlou a opakovatelnou metodu HPAE-PAD pro stanovení jednotlivých dřevních sacharidů v kyselých hydrolyzátech za použití nového Dionex CarboPac SA10-4µm sloupce s menšími částicemi pryskyřice. Práce zavádí dvě chromatografické metody:

• Metoda 1: rychlé stanovení sedmi hlavních cukrů (fukóza, sacharóza, arabinóza, glukóza, xyloza, mannóza, fruktóza) s 1,5 mL/min, 45 °C.
• Metoda 2: optimalizace pro rozlišení dvojice galaktóza/rhamnóza a zahrnutí i cellobiózy a maltózy při 1,2 mL/min, 30 °C.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda je založena na vysokovýkonné aniontové výměnné chromatografii s pulzní amperometrickou detekcí (HPAE-PAD) a elektrolyticky generovaném hydroxidovém eluentu (1 mM KOH) na systému Dionex ICS-5000+ HPIC.

Použitá instrumentace

• Dionex ICS-5000+ HPIC systém (SP/DC pumpa, DC detekční kompartment, eluentový generátor EGC III KOH s CR-ATC trapp kolonkou)
• Dionex CarboPac SA10-4µm analytický sloupec (4×250 mm) a CarboPac SA10 guard sloupec (4×50 mm)
• Elektrochemická detekce (ED) s 62 mil PTFE těsněním, zlatou PTFE elektrodou a Ag/AgCl referencí
• Dionex AS-AP autosampler
• Dionex Chromeleon CDS software

Hlavní výsledky a diskuse

Menší částice v CarboPac SA10-4µm kolonce zvýšily účinnost sloupců o více než 40 % a zlepšily poměry S/N oproti standardnímu 6 µm sloupci. Metoda 1 dosahuje rozlišení sedmi hlavních cukrů do 8 min, metoda 2 umožňuje plné rozlišení galaktózy a rhamnózy včetně dalších 11 cukrů do 14 min. Linearity byla v rozsahu 0,05–2,4 g/L s koeficienty determinace 0,998–0,9998. Relativní standardní odchylky (RSD) retenčních časů byly <0,3 %, RSD ploch šarže 1–3,8 %. Recoverie ve spikovaných vzorcích se pohybovaly mezi 71 až 103 %. Reprodukovatelnost mezi třemi výrobními šaržemi kolonky byla <5 % pro kritické parametry (účinnost, rozlišení, RT).

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé a robustní stanovení klíčových sacharidů pro kontrolu procesu biologické konverze dřeva na bioetanol.
• Snížené riziko přetížení detektoru díky malé injekčním objemu 0,4 µL a 62 mil těsnění.
• Možnost přímé analýzy kyselých hydrolyzátů bez neutralizace síranů.
• Vhodné pro rutinní QC v průmyslových i výzkumných laboratořích zabývajících se biopalivy.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další zmenšování velikosti částic pryskyřice a optimalizace mobilních fází pro zkrácení doby analýzy.
• Integrace s automatizovanými přípravnými moduly a inline neutralizací vzorků.
• Kompatibilita s hmotnostní spektrometrií pro přídavnou selektivitu a identifikaci minoritních komponent.
• Vyšší propustnost a napojení na systémy vysokotlaké aniontové chromatografie pro průmyslové zabezpečení procesu.

Závěr

Vyvinuté dvě metody HPAE-PAD na Dionex CarboPac SA10-4µm kolonce poskytují rychlé, přesné a reprodukovatelné stanovení širokého spektra sacharidů v kyselých hydrolyzátech dřeva. Eliminace manuální přípravy eluentu, úsporná injekční metoda a vysoká účinnost separace umožňují efektivní monitorování a optimalizaci procesů výroby biopaliv.

Reference

1. Larsen E. Biofuel Production Technologies: Status, Prospects and Implications for Trade and Development; United Nations Conference on Trade and Development, Geneva, 2008.
2. Demirbas A. Biofuels: Securing the Planet's Future Energy Needs; Springer, New York, 2009.
3. Stephen JD, Mabee WE, Saddler JN. Will Second-Generation Ethanol Be Able to Compete with First-Generation Ethanol? Biofuels, Bioproducts and Biorefining 2012;6(2):159–176.
4. Sluiter JB et al. Compositional Analysis of Lignocellulosic Feedstocks. J. Agric. Food Chem. 2010;58(16):9043–9053.
5. Davis MW. A Rapid Modified Method for Compositional Carbohydrate Analysis of Lignocellulosics by HPAE-PAD. J. Wood Chem. Technol. 1998;18(2):235–252.
6. Thermo Scientific Application Note 282: Rapid and Sensitive Determination of Biofuel Sugars by Ion Chromatography, 2012.
7. Thermo Scientific Application Update 192: Carbohydrate Determination of Biofuel Samples, 2014.
8. Thermo Scientific Technical Note 71: Eluent Preparation for HPAE-PAD, 2013.